- Ersatz durch digitale Computer
- Eigenschaften
- Analoge Datenverarbeitung
- Analoge Signale verwenden
- Begrenzte Präzision
- Programmierung
- Wofür sind analoge Computer?
- Überwachung und Kontrolle
- Erweiterte Analyse
- Bestimmung von störenden oder nützlichen Signalen
- Dynamische Systemsimulation
- Komponenten
- Operationsverstärker
- Hydraulikkomponenten
- Mechanische Komponenten
- Elektrische und elektronische Komponenten
- Entsprechend der Art der mathematischen Operationen
- Linear
- Nicht linear
- Logisch
- Typen
- Mechanische Computer
- Elektrische Computer
- Unterschiede zu digitalen
- Signalübertragung
- Schaltungstypen
- Präzision
- Programmierung
- Beispiele
- Schlossuhr
- Rechenschieber
- Differentialanalysator
- Andere Beispiele
- Verweise
Die analogen Computer sind ein Computertyp, der sich ständig ändernde Aspekte physikalischer Phänomene wie elektrische, mechanische oder hydraulische elektrische Größen verwendet, um das zu lösende Problem zu modellieren.
Das heißt, es handelt sich um Computer, die mit Zahlen arbeiten, die durch direkt messbare kontinuierliche Werte wie Druck, Temperatur, Spannung, Geschwindigkeit und Gewicht dargestellt werden. Im Gegensatz dazu repräsentieren digitale Computer diese Werte symbolisch.
Quelle: X-15_Analog_computer Nach seiner Herstellung - https://www.youtube.com/watch?v=PW1NAcZLDgs, gemeinfrei, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=52164169
Analoge Computer können sehr unterschiedlich komplex sein. Am einfachsten sind Rechenschieber und Nomogramme, während die Computer, die Marinegeschütze steuern, und große digitale / analoge Hybridcomputer zu den kompliziertesten gehören. Zu dieser Zeit waren sie die ersten entwickelten Computermaschinen.
Prozessleitsysteme und Schutzrelais verwenden analoge Computer, um Steuerungs- und Schutzfunktionen auszuführen.
In den 1960er Jahren war der Haupthersteller das amerikanische Unternehmen Electronic Associates mit seinem analogen Computer 231R mit Vakuumröhren und 20 Integratoren. Später mit seinem analogen 8800-Computer mit Festkörper-Operationsverstärkern und 64 Integratoren.
Ersatz durch digitale Computer
In den 60er und 70er Jahren wurden digitale Computer, die zuerst auf Vakuumröhren und später auf Transistoren, integrierten Schaltkreisen und Mikroprozessoren basierten, wirtschaftlicher und präziser.
Dies führte dazu, dass digitale Computer analoge Computer weitgehend ersetzten. Analoge Computer wurden jedoch weiterhin in wissenschaftlichen und industriellen Anwendungen eingesetzt, da sie zu dieser Zeit üblicherweise viel schneller waren.
Zum Beispiel wurden sie weiterhin in bestimmten Anwendungen verwendet, beispielsweise im Flugcomputer in Flugzeugen.
Komplexere Anwendungen wie das Radar mit synthetischer Apertur blieben bis weit in die 1980er Jahre unter der Dominanz des analogen Rechnens, da digitale Computer für diese Aufgabe nicht ausreichten.
Die Forschung zum analogen Rechnen ist noch nicht abgeschlossen. Einige Universitäten verwenden immer noch analoge Computer, um die Theorie der Steuerungssysteme zu lehren.
Eigenschaften
Analoge Datenverarbeitung
Ein analoger Computer wird verwendet, um analoge Daten wie Spannung, Temperatur, Druck, Geschwindigkeit usw. zu verarbeiten. Diese Daten physikalischer Größen werden kontinuierlich gespeichert und mit Hilfe dieser Messungen berechnet.
Es unterscheidet sich erheblich von dem digitalen Computer, der symbolische Zahlen verwendet, um die Ergebnisse darzustellen.
Analoge Computer eignen sich hervorragend für Situationen, in denen Daten direkt gemessen werden müssen, ohne sie in Zahlen oder Codes umzuwandeln.
Analoge Signale verwenden
Der analoge Computer verwendet das analoge Signal, das als kontinuierliche oder Sinuswelle dargestellt werden kann und Werte enthält, die sich über die Zeit ändern.
Ein analoges Signal kann in Amplitude oder Frequenz variieren. Der Amplitudenwert ist die Intensität des Signals in Bezug auf seinen höchsten Punkt, den so genannten Scheitelpunkt, und seine niedrigsten Punkte. Andererseits ist der Wert der Frequenz ihre physikalische Länge von links nach rechts.
Beispiele für analoge Signale sind Ton oder menschliche Sprache durch elektrifizierten Kupferdraht.
Analoge Computer benötigen keine Speicherkapazität, da sie in einem einzigen Vorgang Mengen messen und vergleichen.
Begrenzte Präzision
Analoge Darstellungen haben eine begrenzte Genauigkeit, üblicherweise auf wenige Dezimalstellen.
Die Genauigkeit eines analogen Computers wird durch seine Computerelemente sowie die Qualität der internen Stromversorgung und der elektrischen Verbindungen begrenzt.
Es ist hauptsächlich durch die Genauigkeit der verwendeten Lesegeräte begrenzt, die im Allgemeinen drei oder vier Dezimalstellen beträgt.
Programmierung
Das Programmieren in einem analogen Computer beinhaltet das Transformieren der Gleichungen des Problems in die analoge Computerschaltung.
Wofür sind analoge Computer?
Sie werden verwendet, um Daten durch messbare Größen wie Spannungen oder Zahnraddrehungen darzustellen, um ein Problem zu lösen, anstatt die Daten als Zahlen auszudrücken.
Überwachung und Kontrolle
In Überwachungs- und Steuerungssystemen werden sie verwendet, um eine Steuerformel zu bestimmen und Prozessparameter wie Effizienz, Leistung, Leistung und andere zu berechnen.
Wenn Sie einen mathematischen Ausdruck zuweisen können, der die Zuordnung eines Parameters zu den Koordinaten eines Objekts definiert, kann der analoge Computer die entsprechende Gleichung lösen.
Beispielsweise werden analoge Computer häufig zur Bewertung der Wirtschaftlichkeit von Stromversorgungssystemen verwendet und können als automatische Regler dienen.
Sie werden häufig zur Steuerung von Prozessen eingesetzt, beispielsweise in Ölraffinerien, bei denen kontinuierliche Durchfluss- und Temperaturmessungen wichtig sind.
Erweiterte Analyse
Durch wiederholtes Lösen des Gleichungssystems, das einen gesteuerten Prozess beschreibt, kann ein analoger Computer in kurzer Zeit eine große Anzahl alternativer Lösungen scannen. Zu diesem Zweck werden unterschiedliche Werte in den Parametern verwendet, die sich während des Prozesses ändern können.
Die erforderliche Qualität kann durch vom Analogcomputer angekündigte Steuersignale gewährleistet werden.
Die vom Computer ermittelten Werte werden an ein Regelgerät übertragen, das die Kontrollpunkte einstellt.
Bestimmung von störenden oder nützlichen Signalen
Die Größe eines störenden oder nützlichen Signals wird unter Verwendung von Differentialgleichungen bestimmt, die das dynamische System beschreiben, die Werte der Anfangsbedingungen zusätzlich zu den Änderungen, die in den Statistiken bestimmt werden, die Rauschen und Signal messen.
Ein analoger Computer kann auch verwendet werden, um Instrumente zu bauen, die Störungen automatisch aufzeichnen und ein Steuersignal erzeugen, das vom Charakter und der Menge der Störungen abhängt.
Dynamische Systemsimulation
Die Simulationen können in Echtzeit oder mit sehr hohen Geschwindigkeiten durchgeführt werden, so dass mit wiederholten Läufen mit den geänderten Variablen experimentiert werden kann.
Sie wurden ausgiebig in Flugzeugsimulationen, Kernkraftwerken und auch in industriellen chemischen Prozessen eingesetzt.
Komponenten
Operationsverstärker
Die meisten elektrischen Analogcomputer arbeiten durch Manipulieren von Spannungen oder Potentialdifferenzen. Seine Grundkomponente ist der Operationsverstärker, ein Gerät, dessen Ausgangsstrom proportional zu seiner Eingangspotentialdifferenz ist.
Indem dieser Ausgangsstrom durch die entsprechenden Komponenten fließt, werden mehr Potentialunterschiede erhalten und eine Vielzahl von mathematischen Operationen können ausgeführt werden, einschließlich Addition, Subtraktion, Inversion und Integration.
Ein elektrischer Analogcomputer besteht aus vielen Arten von Verstärkern. Diese können verbunden werden, um einen mathematischen Ausdruck von großer Komplexität und mit einer Vielzahl von Variablen zu erzeugen.
Hydraulikkomponenten
Wichtige hydraulische Komponenten können Rohre, Ventile und Behälter sein.
Mechanische Komponenten
Es können Drehwellen zum Transport von Daten innerhalb des Computers, Differentialgetriebe, Scheiben-, Kugel- oder Rollenintegratoren, 2D- und 3D-Nocken, mechanische Resolver und Multiplikatoren sowie Servodrehmomente vorhanden sein.
Elektrische und elektronische Komponenten
- Präzisionswiderstände und Kondensatoren.
- Operationsverstärker.
- Multiplikatoren.
- Potentiometer.
- Feste Funktionsgeneratoren.
Entsprechend der Art der mathematischen Operationen
Linear
Lineare Komponenten führen die Operationen Addition, Integration, Vorzeichenwechsel, Multiplikation mit einer Konstanten und andere aus.
Nicht linear
Funktionsgeneratoren reproduzieren nichtlineare Beziehungen. Es gibt Computerkomponenten, die eine zugewiesene Funktion aus einem, zwei oder mehr Argumenten reproduzieren.
In dieser Klasse ist es üblich, zwischen Geräten zu unterscheiden, die diskontinuierliche Funktionen mit einem Argument reproduzieren, und Multiplikator-Divisor-Geräten.
Logisch
Zu den Logikkomponenten gehören analoge Logikbausteine, mit denen die größere oder kleinere Menge zwischen verschiedenen Größen getrennt werden kann, diskrete Logikbausteine, Relaisschaltkreise und einige andere Spezialeinheiten.
Alle logischen Geräte werden im Allgemeinen zu einem einzigen zusammengefasst, das als paralleles logisches Gerät bezeichnet wird. Es ist mit einem eigenen Patch-Panel ausgestattet, um einzelne Logikgeräte miteinander und mit den anderen analogen Komponenten des Computers zu verbinden.
Typen
Mechanische Computer
Sie bestehen eher aus mechanischen Komponenten wie Hebeln und Zahnrädern als aus elektronischen Komponenten.
Die häufigsten Beispiele sind das Hinzufügen von Maschinen und mechanischen Zählern, bei denen Zahnräder gedreht werden, um Ergänzungen oder Zählungen durchzuführen. Komplexere Beispiele könnten Multiplikation und Division und sogar Differentialanalyse durchführen.
Die praktischsten mechanischen Computer verwenden rotierende Achsen, um Variablen von einem Mechanismus zum anderen zu transportieren.
In dem Fourier-Synthesizer, der eine Maschine zur Vorhersage von Gezeiten war, wurden Kabel und Riemenscheiben verwendet, die die harmonischen Komponenten hinzufügten.
Es ist wichtig, die mechanischen Fluginstrumente im frühen Raumfahrzeug zu erwähnen, die das berechnete Ergebnis nicht in Form von Ziffern, sondern durch Verschiebungen der Anzeigeflächen zeigten.
Bemannte sowjetische Raumschiffe wurden mit einem Instrument namens Globus ausgerüstet. Dies zeigte die bildliche Bewegung der Erde durch die Verschiebung einer Miniatur-Erdkugel zusätzlich zu Indikatoren für Breiten- und Längengrade.
Elektrische Computer
Sie sind häufiger anzutreffen, da sie ein wesentlich breiteres Durchlassband haben und sich bequem für die Verbindung mit anderen Computern und Gerätesteuerungselementen eignen.
Sie verwenden elektrische Signale, die durch verschiedene Widerstände und Kondensatoren fließen, um physikalische Phänomene zu simulieren, anstatt die mechanische Wechselwirkung von Komponenten.
Das Design der analogen Elemente des Computers basiert auf elektronischen Gleichstromverstärkern. Diese haben im Leerlaufmodus eine hohe Verstärkung.
Abhängig von der Struktur der Eingangs- und Rückkopplungsschaltungen führt ein Operationsverstärker entweder eine lineare oder eine nichtlineare mathematische Operation aus. Auch eine Kombination dieser Operationen.
Diese Art von analogem Computer wurde Mitte des 20. Jahrhunderts in der Computer- und Militärtechnik häufig eingesetzt, beispielsweise bei Flugzeug- und Raketentests.
Unterschiede zu digitalen
Signalübertragung
Digitale Signale haben zwei diskrete Zustände, Aus oder Ein. Der Aus-Zustand beträgt null Volt und der Ein-Zustand beträgt fünf Volt. Aus diesem Grund verwenden digitale Computer Binärzahlendaten in Form von 0 und 1.
Analoge Signale sind kontinuierlich. Sie können zwischen zwei Extremen liegen, z. B. -15 und +15 Volt. Die Spannung eines analogen Signals kann konstant sein oder sich über die Zeit ändern.
Das heißt, in analogen Computern werden Daten in Form von kontinuierlichen Signalen übertragen. In digitalen Computern werden sie in Form von diskreten Signalen übertragen.
Schaltungstypen
Analoge Computerschaltungen verwenden Operationsverstärker, Signalgeneratoren, Widerstandsnetzwerke und Kondensatoren. Diese Schaltungen verarbeiten kontinuierliche Spannungssignale.
Digitale Computer verwenden eine Vielzahl von Ein / Aus-Schaltungen, wie z. B. Mikroprozessoren, Taktgeneratoren und Logikgatter.
Das heißt, der digitale Computer verwendet elektronische Schaltungen, während der analoge Computer Widerstände für den kontinuierlichen Signalfluss verwendet.
Präzision
Analoge Computer müssen mit einem bestimmten Grad an elektrischem Rauschen in Schaltkreisen umgehen, was deren Genauigkeit beeinträchtigt. Die Schaltungen eines Digitalcomputers weisen ebenfalls elektrisches Rauschen auf, obwohl dies keinen Einfluss auf die Genauigkeit oder Zuverlässigkeit hat.
Andererseits kann der analoge Computer keine sich wiederholenden Ergebnisse mit einer genauen Übereinstimmung erzeugen. Dies bedeutet, dass analoge Computer im Vergleich zu digitalen Computern weniger genau sind.
Programmierung
Es können sowohl analoge als auch digitale Computer programmiert werden, obwohl die Methoden unterschiedlich sind.
Digitale Computer verwenden komplexe Befehlssequenzen, z. B. das Vergleichen oder Multiplizieren von zwei Zahlen oder das Verschieben von Daten von einem Ort zum anderen.
Um einen analogen Computer zu programmieren, werden verschiedene Subsysteme mit Kabeln elektrisch miteinander verbunden. Beispielsweise ist ein Signalgenerator mit einem Steuerknopf verbunden, um die Intensität des Signals zu variieren.
Beispiele
Schlossuhr
Dieser berühmte Computer konnte Programmieranweisungen speichern. Das über drei Meter hohe Gerät zeigte die Uhrzeit, den Tierkreis sowie die Umlaufbahnen von Sonne und Mond an.
Der rechnerische Teil des Geräts ermöglichte es den Benutzern somit, die variable Länge des Tages abhängig von der Jahreszeit einzustellen. Dieser 1206 beschriebene Computer war für seine Zeit sehr komplex.
Rechenschieber
Einer der einfachsten und bekanntesten mechanischen Analogcomputer ist der Rechenschieber. Dies ist ein Gerät zur Approximation grundlegender mathematischer Berechnungen.
Benutzer schieben eine markierte Stange, um sie an verschiedenen Markierungen auf einer anderen Stange auszurichten, und lesen so das Gerät basierend auf der Ausrichtung dieser verschiedenen Markierungen.
Differentialanalysator
Dieser mechanische analoge Computer war in der Lage, Differentialgleichungen zu lösen. Mit einem Design, das so alt war wie das frühe 19. Jahrhundert, wurde der Differentialanalysator in den 1930er Jahren perfektioniert und bis Mitte des 20. Jahrhunderts verwendet.
Es gilt als der erste moderne Computer. Es wog 100 Tonnen und enthielt 150 Motoren sowie Hunderte von Kilometern Kabel, die Relais und Vakuumröhren verbinden.
Nach heutigen Maßstäben war die Maschine langsam. Tatsächlich war es nur etwa hundertmal schneller als ein menschlicher Bediener, der einen Desktop-Rechner verwendete.
Andere Beispiele
- Prädiktor Kerrison.
- Librascope, Balance und Gewichtscomputer eines Flugzeugs.
- Mechanische Integratoren wie das Planimeter.
- Nomogramm.
- Norden Bombardierungsvisier.
- Computer im Zusammenhang mit der Brandbekämpfung.
- Wasserintegratoren.
- MONIAC, Wirtschaftsmodellierung.
Der Simulation Council war eine Vereinigung analoger Computerbenutzer in den USA.
Die Newsletter des Simulation Council von 1952 bis 1963 sind derzeit online verfügbar. Sie zeigen die damaligen Technologien und auch die übliche Verwendung analoger Computer.
Verweise
- Wikipedia, die freie Enzyklopädie (2019). Analoger Computer. Entnommen aus: en.wikipedia.org.
- Techopedia (2019). Analoger Computer. Entnommen aus: deckenpedia.com.
- Dinesh Thakur (2019). Was ist ein analoger Computer? - Definition. Hinweise zum Computer. Entnommen aus: ecomputernotes.com.
- Encyclopaedia Britannica (2019). Analoger Computer. Entnommen aus: britannica.com.
- John Papiewski (2019). 10 Unterschiede zwischen analogen und digitalen Computern. Entnommen aus: techwalla.com.
- Das freie Wörterbuch (2019). Analoger Computer. Entnommen aus: encyclopedia2.thefreedictionary.com.
- Encyclopedia (2002). Computer, analog. Entnommen aus: encyclopedia.com.